精密薄壁件

黃世盛，唐衛(wèi)崗，王思鴻，羅良良，李江，常宏

摘要：針對(duì)氣門嘴新結(jié)構(gòu)的焊接難題，開發(fā)了一套用于精密薄壁件氣門嘴的焊接整體解決方案。方案內(nèi)容包括：針對(duì)螺桿和帽蓋焊件的釬焊連接工藝性及可靠性要求，研發(fā)復(fù)合型藥皮釬焊材料;針對(duì)母材熔點(diǎn)低、容易燒損等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并制造了自動(dòng)高頻焊接設(shè)備及異形感應(yīng)線圈;對(duì)焊接電流、焊接時(shí)間、焊接位置等焊接參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，探索出一套成熟的自動(dòng)高頻焊工藝。該焊接整體解決方案具有高效、低成本、綠色化等優(yōu)點(diǎn)，成功解決了氣門嘴組件的嘴體螺桿與傳感器底座的自動(dòng)化焊接技術(shù)難題，并通過焊后的拉力測(cè)試及氣密性檢驗(yàn)，滿足焊接質(zhì)量需求，提高了生產(chǎn)效率及成品合格率，目前該方案已應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：精密薄壁件;氣門嘴;高頻感應(yīng)焊;釬焊材料;釬焊工藝

中圖分類號(hào)：TG457.2? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）10-0066-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.10.12

0? ? 前言

氣門嘴是汽車輪胎的重要組成部件，隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，輪胎結(jié)構(gòu)、制造技術(shù)及性能要求不斷提高和改進(jìn)，氣門嘴的結(jié)構(gòu)和種類也在不斷地變化和發(fā)展[1]。在實(shí)際應(yīng)用中，一款新型氣門嘴的焊接主要采用手工釬焊，需要焊工人數(shù)多、對(duì)焊工技術(shù)要求高、綜合成本較高，又因其母材熔點(diǎn)低、壁厚較薄的特點(diǎn)，焊接過程中母材容易燒傷，生產(chǎn)效率不高，成品合格率低下，難以滿足批量生產(chǎn)的需求。為此，通過技術(shù)革新開發(fā)出一套新的焊接整體解決方案來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的焊接方法，實(shí)現(xiàn)綠色化焊接的同時(shí)提高生產(chǎn)效率。

文中主要從釬料選擇、焊接設(shè)備設(shè)計(jì)及工藝參數(shù)等影響因素出發(fā)，經(jīng)過工藝驗(yàn)證總結(jié)出一套自動(dòng)高頻焊的整體解決方案，用于替代新型氣門嘴的傳統(tǒng)手工釬焊，在降低勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，提高焊接質(zhì)量及生產(chǎn)效率，打造我國(guó)工程車輪胎氣門嘴產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)新優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)自動(dòng)化在焊接行業(yè)中的應(yīng)用。

1 釬料的選擇

一般情況下，釬料的液相線應(yīng)低于母材固相線30 ℃以上，且釬料形態(tài)應(yīng)與焊縫形狀相匹配[2]。氣門嘴焊件的材質(zhì)為H62黃銅，熔化溫度為899～906 ℃，同時(shí)焊件壁厚較薄，最薄處僅0.6 mm，在釬焊溫度超過800℃時(shí)容易變形，故釬料液相線應(yīng)低于770 ℃，常選擇銀釬料或銅基釬料并搭配活性溫度合適的助焊劑進(jìn)行釬焊。

銀釬料主要由Ag固溶體相、Cu固溶體相以及（Ag，Cu）Zn相組成，具有良好的塑韌性。銅基釬料主要由Cu固溶體相、Cu3P相以及Sn含量較高的金屬間化合物組成，塑韌性較差[2]?？紤]到該焊件為商用汽車零配件，要求具有高強(qiáng)度、高韌性、高抗震的釬焊接頭，故應(yīng)選用塑韌性更好、可靠性更高的銀釬料作為氣門嘴釬焊材料。同時(shí)，為提升釬焊工藝自動(dòng)化水平，減少涂抹助焊劑工序，可采用復(fù)合型的藥皮片狀釬料或釬料膏。由于釬料膏中的有機(jī)物高溫燃燒或加熱時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣泡較難消除，易產(chǎn)生氣孔，導(dǎo)致焊縫不致密，不能完全滿足商用汽車氣門嘴的質(zhì)量要求，最終釬料形態(tài)選擇復(fù)合型的藥皮片狀釬料。

綜合考慮釬焊工藝性、釬焊接頭性能要求以及材料成本，最終選用由杭州華光焊接新材料股份有限公司自主研發(fā)的BAg45CuZn復(fù)合藥皮焊片作為該焊件的釬焊材料。該釬料由BAg45CuZn合金焊片、助焊劑及少量粘結(jié)劑制成，能夠直接裝配在焊件上無需額外涂抹助焊劑進(jìn)行釬焊，焊后無炭黑殘留，焊縫飽滿，適合氣門嘴的自動(dòng)化釬焊，圖1為BAg45CuZn復(fù)合藥皮焊片。

1.2 復(fù)合藥皮焊片的設(shè)計(jì)

BAg45CuZn復(fù)合藥皮焊片的設(shè)計(jì)指標(biāo)主要有藥皮層厚度、藥皮層粘結(jié)劑含量、助焊劑成分以及藥皮層均勻性。

藥皮層厚度決定了助焊劑添加量，直接影響母材表面氧化膜的去除效果，是進(jìn)行有效釬焊的關(guān)鍵指標(biāo);藥皮層粘結(jié)劑為有機(jī)化合物，能夠幫助藥皮涂層的成型，一般粘結(jié)劑含量占藥皮涂層的5%以上才能起到粘結(jié)助焊劑和焊片的作用，但粘結(jié)劑比例上升意味著助焊劑比例下降，同時(shí)容易在釬焊時(shí)產(chǎn)生碳化，最終影響釬焊效果;助焊劑成分影響其釬焊時(shí)對(duì)母材表面氧化膜的去除效果和母材的保護(hù)效果，可以選用華光自制的助焊劑;藥皮層均勻性指藥皮涂層在焊片不同位置的厚度均勻程度，極端情況表現(xiàn)為焊片部分位置無焊劑覆蓋，可能對(duì)釬焊產(chǎn)生一定影響，需要結(jié)合藥皮加熱熔化后的流動(dòng)情況分析。

綜上分析，設(shè)計(jì)了三因素三水平的正交試驗(yàn)，驗(yàn)證藥皮厚度、粘結(jié)劑占比以及藥皮均勻性對(duì)釬焊的影響，驗(yàn)證方案如表1所示。

2 焊接設(shè)備設(shè)計(jì)

2.1 焊接熱電源選擇

高頻感應(yīng)焊是利用電磁感應(yīng)原理，將工件的焊接區(qū)域處于交變磁場(chǎng)中，利用電磁感應(yīng)產(chǎn)生渦流效應(yīng)對(duì)焊件進(jìn)行加熱，使熔化的釬料在毛細(xì)作用下填充縫隙，從而達(dá)到快速焊接的目的[3]。感應(yīng)釬焊具有綠色環(huán)保、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，與其他焊接方式相比，其優(yōu)勢(shì)在于可以進(jìn)行局部快速加熱，污染排放少。其一，可對(duì)焊件局部加熱，熱影響區(qū)小，有利于減少母材氧化，降低清理要求及焊后翹曲;其二，加熱時(shí)間較短，能大幅提升焊接效率，減少助焊劑的使用量;其三，加熱時(shí)不產(chǎn)生明火，不使用易燃易爆等危險(xiǎn)氣體作為加熱源或保護(hù)氣體。綜上，感應(yīng)釬焊應(yīng)用于氣門嘴等小型組合焊件的批量生產(chǎn)中，不僅能提高生產(chǎn)效率及焊接質(zhì)量，而且可以降低生產(chǎn)成本，改善勞動(dòng)環(huán)境。

高頻電源頻率決定感應(yīng)加熱深度，工程上規(guī)定：當(dāng)零件截面中渦流電流的強(qiáng)度為最大表面電流的0.368倍時(shí)，該處到表面的距離電流滲透深度Δ可表示為

根據(jù)集膚效應(yīng)，當(dāng)交流電流通過金屬零件時(shí)，零件截面上的電流分布是不均勻的，最大的電流密度在零件表面，而且頻率越高，產(chǎn)生的電流就越大。焊件為薄壁類焊件，需要的電流滲透深度較小，因此在線圈、焊件材料不變的前提下，較高的電流頻率能使電流集中在焊件表面以提高釬焊效率。

但是該焊件存在多處尖角及螺紋，根據(jù)尖角效應(yīng)，在感應(yīng)加熱時(shí)零件尖角處的渦流強(qiáng)度最大，加熱最快，易導(dǎo)致邊角熔化而損傷焊件，實(shí)際輸出不易控制，因此電流頻率也不宜過大。

綜上分析，要保證具有較高的釬焊效率并且避免零件局部過熱，最終電源頻率確定為20～40 kHz。

2.2 自動(dòng)化設(shè)計(jì)

考慮現(xiàn)場(chǎng)物流、生產(chǎn)數(shù)量及綜合成本等因素，焊接整體解決方案里設(shè)計(jì)了人工上下料的自動(dòng)焊接設(shè)備，自動(dòng)變頻焊接設(shè)備3D示意如圖2所示。整套系統(tǒng)是對(duì)氣門嘴進(jìn)行感應(yīng)釬焊，全系統(tǒng)包括：感應(yīng)加熱系統(tǒng)、感應(yīng)釬焊控制系統(tǒng)、機(jī)械動(dòng)作系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及紅外測(cè)溫系統(tǒng)。

感應(yīng)加熱系統(tǒng)主要是對(duì)氣門嘴進(jìn)行加熱，使釬料熔化以完成焊接;感應(yīng)釬焊控制系統(tǒng)對(duì)整體動(dòng)作進(jìn)行控制;機(jī)械動(dòng)作系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行固定、壓緊及升降、感應(yīng)器升降、X、Y軸調(diào)節(jié)等;冷卻系統(tǒng)對(duì)釬焊設(shè)備進(jìn)行冷卻;紅外測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。紅外測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)采用RS485數(shù)字通訊模式傳輸，利用DB9接頭與高頻加熱電源直接連接，具有連接簡(jiǎn)單、響應(yīng)時(shí)間快、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

焊接過程為：將釬料放置在待焊氣門嘴上→產(chǎn)品放置定位工裝上，準(zhǔn)備焊接→壓緊機(jī)構(gòu)下降壓緊氣門嘴→感應(yīng)器前進(jìn)至焊接位置→感應(yīng)釬焊設(shè)備焊接產(chǎn)品→感應(yīng)器后退至初始位置→壓機(jī)機(jī)構(gòu)上升至初始位置→將產(chǎn)品從定位工裝內(nèi)取出，并分類成品與不合格品。

根據(jù)產(chǎn)品節(jié)拍要求，感應(yīng)釬焊設(shè)備采用全數(shù)字式設(shè)備，設(shè)備有手動(dòng)、自動(dòng)、紅外三種模式。感應(yīng)加熱電源采用ARM作為主控芯片，具有控制精度高、通訊豐富、保護(hù)及時(shí)等特點(diǎn)，并可實(shí)時(shí)記錄運(yùn)行參數(shù)及工藝分析。

紅外測(cè)溫系統(tǒng)在焊接過程中有兩種控制模式：一種是上限溫度保護(hù)模式，即采用時(shí)間加熱參數(shù)進(jìn)行加熱，當(dāng)出現(xiàn)溫度超高時(shí)，立刻停機(jī)報(bào)警，最大程度上保護(hù)工件;第二種模式是溫度焊接模式，可以采用溫度作為負(fù)反饋信號(hào)，進(jìn)行溫度工藝參數(shù)設(shè)定和加熱。紅外焊接加工模式如圖3所示。

3 焊接工藝探究

3.1 線圈設(shè)計(jì)

氣門嘴焊接材質(zhì)為H62黃銅，母材熔點(diǎn)較低，且焊件壁厚較薄，僅0.6 mm，主體焊接處直徑分別為8 mm和20 mm，長(zhǎng)度方向尺寸最長(zhǎng)為52 mm，相差32 mm，尺寸相差較大，而且在遠(yuǎn)端存在螺紋等尖角設(shè)計(jì)，故焊接時(shí)選用常用的圓形線圈會(huì)導(dǎo)致溫度不均，焊件局部熔化、燒傷等缺陷;另外，考慮到加熱效率及黃銅薄壁件的特點(diǎn)，需要合理設(shè)計(jì)線圈與焊件之間的耦合間隙，使其既能保證焊接區(qū)域的焊接質(zhì)量，又能保證焊件其他部分避免燒傷。

文中采用仿真輔助軟件設(shè)計(jì)了異形線圈，開發(fā)了較為合理的線圈結(jié)構(gòu)。普通線圈設(shè)計(jì)仿真結(jié)果如圖4所示，焊接的最高溫度點(diǎn)出現(xiàn)在螺桿兩端，且工件的焊接溫度相差較大，無法獲得滿意的焊接效果。異形線圈設(shè)計(jì)仿真結(jié)果如圖5所示，異形線圈可以將磁感線均勻地分布在焊縫周圍，焊接的最高溫度點(diǎn)出現(xiàn)在焊縫處，有效防止因磁場(chǎng)密集分布在螺桿兩端產(chǎn)生局部過熱引起的損傷，并且整個(gè)工件的溫度相差較小，可以較好地防止工件的焊接變形，加熱效果較為理想。異形線圈的三維模型如圖6所示。

3.2 工藝參數(shù)

3.2.1 藥皮焊片參數(shù)驗(yàn)證

不同藥皮焊片參數(shù)對(duì)焊接效果的影響結(jié)果如表2所示。

藥皮厚度是焊縫飽滿程度的關(guān)鍵影響因素。藥皮厚度過薄時(shí)，助焊劑不足，導(dǎo)致焊件最后加熱的中間部位的母材表面氧化膜去除不充分，產(chǎn)生缺陷;隨著藥皮厚度增加至0.15 mm以上時(shí)，焊縫飽滿程度最佳且不再發(fā)生變化。粘結(jié)劑占比對(duì)焊后焊縫的飽滿程度有較小影響，為次要影響因素，具體表現(xiàn)為粘結(jié)劑占比提高時(shí)，助焊劑比例下降，產(chǎn)生同樣的保護(hù)不足問題。當(dāng)藥皮厚度足夠時(shí)，粘結(jié)劑占比的提升對(duì)焊縫飽滿程度不產(chǎn)生負(fù)面影響，可以認(rèn)為粘結(jié)劑含量增加是通過降低助焊劑比例影響焊接效果的，其本身不會(huì)對(duì)焊接產(chǎn)生不利影響。藥皮均勻性對(duì)焊接效果基本不產(chǎn)生影響，在加熱時(shí)熔化后的藥皮充分均勻流動(dòng)至母材表面起到助熔作用。

綜上分析，焊片參數(shù)對(duì)焊接效果的影響主要取決于助焊劑含量高低。

3.2.2 焊接工藝參數(shù)驗(yàn)證

焊接工藝參數(shù)直接影響焊接的質(zhì)量及穩(wěn)定性，對(duì)焊件的好壞起決定性作用。焊接治具在焊接過程中對(duì)焊件起到定位及熱量傳導(dǎo)作用，不同熱傳導(dǎo)系數(shù)材料組合形成的焊接治具如圖7所示，在焊接過程中可以控制焊件的熱量分布及傳熱速度。依據(jù)組件結(jié)構(gòu)及銀釬料特性，并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[4-5]，制定了初步的試驗(yàn)方案，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表3所示。在此焊接參數(shù)下進(jìn)行大量試驗(yàn)，焊件表面無缺陷，表面平整，焊縫美觀，如圖8所示。

3.3 產(chǎn)品性能測(cè)試

依據(jù)應(yīng)用端實(shí)際需求，對(duì)氣門嘴焊后組件進(jìn)行拉力測(cè)試及氣密性測(cè)試，為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，隨機(jī)挑選測(cè)試樣品。測(cè)試工裝如圖9所示，其參數(shù)及結(jié)果如表4所示。由表4可知，測(cè)試氣門嘴組件在拉伸載荷大于5 kN時(shí)，均未發(fā)生斷裂;且在充入規(guī)定壓力值為1.1 MPa的壓縮空氣后，仍無泄漏現(xiàn)象，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

（1）開發(fā)了一套自動(dòng)高效、用于精密薄壁件——?dú)忾T嘴的高頻焊接整體解決方案;該方案具有高效、環(huán)保、成本低等優(yōu)勢(shì)，已在汽車零部件制造行業(yè)成熟應(yīng)用并獲得好評(píng)。該方案可推廣到其他工程氣門嘴及相關(guān)領(lǐng)域的自動(dòng)焊接，具有較為良好的應(yīng)用前景。

（2）采用自主研發(fā)的復(fù)合藥皮焊片BAg45CuZn釬焊的氣門嘴，釬縫飽滿，釬焊接頭力學(xué)性能好，氣密性好，可滿足汽車輪胎應(yīng)用的特殊條件。

（3）探索出一套成熟的氣門嘴精密薄壁件自動(dòng)高頻焊工藝，即選用高5 mm紫銅上墊塊和高40 mm石墨下墊塊，高頻感應(yīng)電流80 A，釬焊時(shí)間16 s，可實(shí)現(xiàn)銀基釬焊片BAg45CuZn與黃銅母材間的良好冶金結(jié)合，無夾渣、空洞等缺陷，可獲得最佳的焊接質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]王勝全，王賢勇，梁平，等.氣門嘴行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)展望[J].中國(guó)橡膠，2017，11（12）：20-23.

[2]張啟運(yùn)，莊鴻壽. 釬焊手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3]周美蘭，李艷萍，王吉昌.高頻感應(yīng)加熱電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，20（1）：50-55.

[4]王星星，彭進(jìn)，崔大田，等. 銀基釬料在制造業(yè)中研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào)，2018，32（9）：1477-1485.

[5]房加坤，孟錳，何忠明.BAg25CuZn銀基釬料對(duì)不同材質(zhì)銅管匹配釬焊工藝研究[J]. 電焊機(jī)，2015，45（12）：123-127.